procesul respirației celulare

procesul general al respirației celulare poate fi asemănat cu apa care curge pe un râu care conduce o turbină. În timp ce construirea și întreținerea turbinei sunt procese dependente de energie, fluxul de apă funcționează cu gravitație atât timp cât există apă în amonte. În mod similar, deși producerea și menținerea enzimelor mitocondriale, membranele celulare și cofactorii sunt procese dependente de energie, oxidarea combustibilului și fluxul de electroni respiratori sunt exoterme (adică eliberează căldură). Electronii curg în respirația celulară exact așa cum curg în alte circuite electrice, spre acceptori de afinitate electronică mai mare.

la membrana mitocondrială interioară, complexele I, III și IV (care reoxidează formele reduse de NAD+, coenzima Q și, respectiv, citocromul c) își utilizează afinitățile electronice mai mari pentru a pompa protonii peste membrană pentru a genera un gradient de protoni. La fel cum costul transformării unei turbine cu apă este plătit de apa care curge în aval, costul pompării protonilor este plătit de electronii care curg de la stări de energie mai mare la stări de energie mai mică. Vezi și: Proton

întoarcerea protonilor prin enzima FOF1 ATP sintază generează ATP prin fosforilare oxidativă (Fig. 1), în timp ce întoarcerea protonilor prin porii protonilor (cum ar fi decuplarea proteinelor) generează căldură (Fig. 3). Deoarece afinitatea electronică urmează un model de gradient de O2 > citocromul C > coenzima Q > FAD > nad+, oxidarea combustibilului transferă de obicei electronii mai întâi la NAD+ și/sau FAD, iar apoi la coenzima Q, citocromul C și O2, cu multe grupuri metalice suplimentare legate de proteine ca intermediari în complexele I, II, III și IV.

Fig. 3 fluxul de electroni prin lanțul de transport al electronilor respiratori poate genera specii reactive de oxigen (ROS). Prin mutarea echivalenților reducători de la NADH la NADPH, transhidrogenaza nucleotidică nicotinamidă poate genera NADPH pentru a reactiva glutationul pentru a detoxifica ROS. Această activitate este dependentă de protoni, deci este direct competitivă cu ATP și/sau producția de căldură și este dependentă de NADH, deci este competitivă cu inițierea lanțului de transport al electronilor la complexul I. (Credit: Ilustrație De Carli Hansen)

mici creșteri treptate ale afinității electronilor se manifestă prin mici picături de energie liberă de electroni de-a lungul lanțului de electroni respiratori. Diferențele mici servesc la minimizarea producției de căldură și la minimizarea producției de radicali liberi superoxid (•O2−) și hidroxil (•OH). Acești compuși reactivi se formează prin coliziunea dintre forma radicală a coenzimei Q (*Q−) și O2 (Fig. 3). Daunele produse de speciile reactive de oxigen (ROS) sunt un cost evident al metabolismului aerob, iar ROS sub formă de peroxid de hidrogen (H2O2) și hidroperoxizi fosfolipidici sunt controlate de glutation reductaze și glutation peroxidaze, care depind de NADPH ca agent reducător pentru reactivarea glutationului oxidat. Astfel, în condițiile ROS, există o cerere mai mare pentru NADPH pentru funcțiile de reparare decât pentru NADH pentru fosforilarea oxidativă. Mai mult, mitocondriile au o enzimă denumită nicotinamidă nucleotid transhidrogenază (NNT) care poate transfera hidrură de la NADH la NADP+ pentru a genera NADPH. Protonii se întorc prin NNT pentru a conduce acest proces catalitic într-o manieră direct competitivă cu producția de ATP și căldură (Fig. 3). Vezi și: energie liberă; radicali liberi; peroxid de hidrogen; Cerințele respiratorii variază în funcție de tipul de combustibil, de echilibrul dintre catabolism și anabolism în care este angajată o celulă și de gradul în care celula produce NADPH citosolic anaerob prin procese precum calea fosfatului de pentoză (în care glucoza este metabolizată sau transformată în NADPH).

în timp ce procesul de oxidare a glucozei în piruvat este anaerob, electronii captați pe NADH în etapa gliceraldehidă fosfat dehidrogenază pot fi utilizați în metabolismul oxidativ în virtutea transportului lactatului către un alt țesut și / sau transferului în mitocondrii prin alte mecanisme, inclusiv naveta malat-aspartat și naveta glicerol-3-fosfat (Fig. 4). Când piruvatul este complet oxidat la CO2 în mitocondrii prin acțiunea combinată a piruvat dehidrogenazei și a ciclului acidului citric (ciclul Krebs), electronii sunt capturați pe NADPH, NADH și FADH2, necesitând O2 ca acceptor de electroni pentru a reoxidiza NADH și FADH2. NADPH format prin acțiunea izocitrat dehidrogenazei (o enzimă a acidului citric mitocondrial) este utilizat în mare parte pentru a controla ROS care însoțesc reoxidarea aerobă a NADH și FADH2 în lanțul de transport al electronilor (Fig. 5). Vezi și: Ciclul acidului Citric

Fig. 4 mai multe sisteme de transfer se pot deplasa reducând echivalenții de la citoplasmă la mitocondrii. Naveta glicerol-3-fosfat mută hidrura de la NADH citosolic la coenzima Q prin FAD. Sistemul de transfer malat-aspartat mută malatul, aspartatul, cetoglutaratul și glutamatul de-a lungul membranei interioare mitocondriale la oxidarea cuplată a NADH citosolic la reducerea nad mitocondrial+. Direcția și gradul acestor fluxuri sunt limitate de REOXIDAREA NADH dependentă de respirație prin complexul I. (Credit: ilustrare De Carli Hansen)

div>

fig. 5 oxidarea totală a glucozei implică fie fazele oxidative și neoxidative ale căii fosfat de pentoză (nu este prezentată), fie glicoliza și ciclul acidului citric legat de respirație. (Credit: Ilustrație De Carli Hansen)

spre deosebire de oxidarea glucozei, oxidarea completă a trigliceridelor (lipide neutre constând din trei lanțuri acil grase esterificate la o coloană vertebrală a glicerolului) este aproape în întregime aerobă (Fig. 6). Oxidarea glicerolului la piruvat produce un NADH citosolic anaerob, în timp ce acizii grași saturați cu număr par care sunt oxidați la CO2 în mitocondrii au toți electronii capturați pe NAD+ și FAD, necesitând O2 ca acceptor final de electroni. Raportul dintre carbonii de acizi grași și carbonii de glicerol dintr-o trigliceridă oferă o indicație a cât de solicitantă este oxidarea trigliceridelor în mod aerob. De exemplu, într-o trigliceridă care conține trei acizi grași 16–C, un singur NADH citosolic este generat per >140 coenzime mitocondriale reduse generate în producerea și oxidarea celor 48 de molecule de acetil-coenzima A (Ac-CoA) derivate din acizi grași. Având în vedere că NADH citosolic poate fi reoxidat efectiv aerob prin naveta malat-aspartat sau transfer glicerol-3-fosfat și că piruvatul derivat din glicerol poate fi, de asemenea, oxidat în mitocondrii, oxidarea completă a unei trigliceride tipice poate necesita suficient oxigen pentru a reoxidiza aproximativ 150 de echivalenți NADH mitocondriali și FADH2. Vezi de asemenea și: lipide; metabolismul lipidic; Trigliceride (triacilglicerol)

Fig. 6 oxidarea totală a porțiunilor de acizi grași din trigliceride depinde de enzimele de oxidare a acidului citric, de ciclul acidului citric și de lanțul de transport al electronilor respiratori. (Credit: Ilustrație De Carli Hansen)

de asemenea, trebuie subliniat faptul că oxidarea aminoacizilor este intermediară în cerința sa de O2 între glicoliză și oxidarea mitocondrială a acizilor grași, deoarece unii cofactori reduși sunt produși în citosol, iar alții sunt produși în mitocondrii. Vezi și: aminoacid; Metabolismul aminoacizilor

celălalt considerent care ghidează magnitudinea unei cerințe celulare de O2 este gradul în care o celulă este ocupată cu reacții care necesită hidrura purtată pe NADH și NADPH și dacă echivalenții reducători pot fi produși citosolic. Spre deosebire de un șemineu, al cărui scop este arderea completă a combustibilului pentru a genera căldură (Fig. 2), lucrurile vii creează și repară tot ceea ce sunt făcute și desfășoară activitatea de odihnă și metabolism activ din consumul de alimente.

astfel, logica vieții este de așa natură încât electronii cu energie relativ scăzută transportați pe citocromul C în membrana mitocondrială interioară au mult mai puțină putere de a face o muncă semnificativă decât electronii transportați pe NADPH citosolic. Primul poate dona O2 pentru a genera apă, generând deja un gradient de protoni în coborârea de la starea de energie ridicată din NADH la starea de energie scăzută în citocromul c redus.acesta din urmă poate dona electroni grupărilor beta-ceto și alchenelor pentru a efectua biosinteza reductivă. Prin urmare, ar fi ilogic ca celulele să lase electronii să curgă prea departe dacă sunt necesari pentru reacții biosintetice.